过程设备设计复习资料71.docx
《过程设备设计复习资料71.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程设备设计复习资料71.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
过程设备设计复习资料71
第7章塔设备
§7-1概述
主 要 教 学 内 容
授课方式
授课时数
1、塔设备在过程工业中的应用和作用
2、塔设备的基本要求
3、设备的分类和总体结构
4、塔设备的发展及现状
讲授
自学
1
教学目的和要求
1、了解塔设备在化工生产中的作用和基本要求
2、掌握塔设备的分类和总体结构
教学重点和难点
塔设备的分类和设计要求
课外作业
思考题
一、塔设备在化工生产中的作用和地位
塔设备是石油、化工生产中广泛使用的重要生产设备，在石油、化工、轻工等生产过程中，塔设备主要用于气、液两相直接接触进行传质传热的过程，如精馏、吸收、萃取、解吸等，这些过程大多是在塔设备中进行的。
塔设备可以为传质过程创造适宜的外界条件，除了维持一定的压强、温度、规定的气、液流量等工艺条件外，还可以从结构上保证气、液有充分的接触时间、接触空间和接触面积，以达到相际之间比较理想的传质和传热效果。
塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比例
装置名称
塔设备的投资比例
塔设备重量的比例
石油及石油化工
（60万吨、120万吨/年催化裂化装置）
25.4%
48.9%
炼油及煤化工
（30万吨/年乙烯装置）
34.85%
25.3%
化纤
（4.5万吨/年丁二烯装置）
44.9%
54%
二、对塔设备的基本性能指标要求
三、塔设备的分类
按压力---------加压塔、常压塔、减压塔
按单元操作--------精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔、干燥塔等
﹡按支承方式--------框架塔、自支承式塔
﹡按塔内件结构--------板式塔、填料塔
四、塔设备的发展及现状
·塔设备的形式繁多，规模范围也很大
·塔设备的大型化发展趋势
（1）强度、刚度及流体均布等方面的问题
（2）全负荷运转
（3）大型塔设备的设计、制造、操作和维修
塔设备的设计内容：
﹡结构设计------确定塔体结构；塔盘结构；溢流装置；紧固件及支持件；进出口接管结构；裙座及其它附件；
﹡机械设计------选择材料；计算塔体壁厚裙座壁厚；计算地脚螺栓直径及数量等；
工艺设计------计算理论塔板数；选择塔板效率并确定实际塔板数；选取板间距并初步确定塔高；计算塔径（或空塔气速）；进行流体力学验算；
§7-2填料塔
主 要 教 学 内 容
授课方式
授课时数
1、填料
2、液体分布装置
3、液体再分布装置
4、填料支承装置
讲授
自学
2
教学目的和要求
1、了解工业用填料的主要类型、优缺点及用途
2、掌握主要的液体分布装置和液体再分布装置的结构
3、了解填料支承装置的结构及强度计算
教学重点和难点
液体分布装置
液体再分布装置
课外作业
思考题
●填料塔是连续式的气液传质设备，气液两相间呈连续逆流接触并进行传质和传热，气液两相组分的浓度沿塔高呈连续变化。
●板式塔中气液两相间逐层逆流接触并进行传质和传热，气液两相组分的浓度沿塔高呈阶梯式变化。
●在结构上，填料塔主要优点：
（1）结构简单，压力降小
（2）便于处理腐蚀性物料（填料一般由耐蚀材料制成）、易起泡沫的物料（气体不是以发泡的形式通过液层，而且填料对气泡有破碎作用）及真空操作（气液阻力降小）
缺点：
（1）体极大、重量大
（2）传质效率较低，操作稳定性较差
（3）不适于处理污浊液体、含尘气体、含有固体颗粒及容易结垢的物料
填料塔总体结构（图7-1）
一、填料
二、填料支承装置
基本要求：
（1）具有足够的强度和刚度
（2）具有足够的自由截面积
（3）结构简单，便于安装，能耐介质腐蚀
1、栅板
（1）栅板的结构
注意：
栅条的间距不能过小，否则会使栅板自由截面积过小，而且填料会堵塞栅条间的气体通道，使气体压力降增大。
（2）栅板的强度计算（了解）
P=PP+PLN
PP=9.8HLtγPN
乱堆填料：
PL=3.43HLtγL×10-4N
丝网填料：
PL=0.49HLtγL×10-4N
M=PL/6N.m
2、
体喷射式支承板
优点：
气体和液体通过不同通道流动，可减小气液流动的阻力
（1）驼峰式气体喷射式支承板
（2）钟罩型气体喷射式支承板
三、液体分布装置
基本要求：
（1）结构简单，制造、安装、维修方便
（2）不需很大的液体压头即能均匀分散液体，液体通道不易堵塞
（3）满足喷淋点数的要求
（一）喷洒型
1、多孔直管式布液器
优点：
结构简单
缺点：
液体分布均匀性较差；液体不清洁时，小孔容易堵塞；
*2、多孔排管式布液器
优点：
喷淋面积大且均匀
缺点：
操作弹性小；要求压力稳定；
3、多孔环管式布液器
优点：
结构简单，制造、安装方便
缺点：
喷淋面积小，不够均匀；要求液体均匀，否则小孔容易堵塞
4、筛孔盘式布液器
气体截面积小，阻力大，操作弹性小
5、莲蓬头式布液器
优点：
结构简单，安装、拆卸方便
缺点：
小孔易堵塞；雾沫夹带严重；流量或压力改变时，液体分布状况会产生较大改变
莲蓬头直径：
d=（0.2~0.3）DN
喷洒半角：
α≤40o
小孔数目：
n=1+n1+2n1+3n1+……..+mn1（n1为第一圈圆周上的孔数）
安装高度：
h=（0.5~1）DN
（二）溢流型
喷洒型液体分布装置的局限性：
（1）液体需要有一定的压力才能喷洒。
（2）孔眼容易堵塞。
（3）当塔径较大时液体分布的均匀性较差。
因此，对直径较大的填料塔，多采用溢流型液体分布装置。
1、流盘式布液器
2、溢流槽式布液器
1、
（三）冲击型布液器
1、反射板式布液器
2、宝塔式布液器
四、液体再分布装置
作用：
防止壁流；防止“干锥”的出现；对液体进行重新分布；
1、分配锥
2、槽式液体再分布器
3、多孔盘式液体再分布器
4、斜板复合式液体再分布器
§7-3板式塔
主 要 教 学 内 容
授课方式
授课时数
1、常用板式塔的类型
2、塔盘的结构
3、裙座及除沫器
讲授
自学
2
教学目的和要求
1、了解板式塔的类型及总体结构
2、掌握塔盘的结构
3、了解裙座及除沫器的结构
教学重点和难点
塔盘的结构
课外作业
思考题
一、总体结构
板式塔的优点：
效率高、处理量大、重量轻、便于维修
板式塔的缺点：
结构较复杂、阻力降较大
二、板式塔类型
（一）泡罩塔
优点：
1、操作弹性大，在气、液负荷波动较大时仍能保持较恒定的塔板效率。
2、对物料适应性强，塔板不易堵塞。
缺点：
1、结构复杂，金属耗量大，造价高，安装和维修不方便。
2、气体压力降大，雾沫夹带较严重，因此限制了气速的提高，生产能力不大。
3、不好操作，液体或蒸汽流量很小时，会形成气液接触不良或蒸汽流动的脉动；反之会形成雾沫夹带、液泛等。
（二）浮阀塔
优点：
1、结构紧凑，生产能力大。
2、蒸汽以水平方向吹入液层，阻力小，气液接触时间长且接触状况良好，故雾沫夹带少，塔板效率高。
3、浮阀可根据气量大小上下浮动，操作弹性大。
4、浮阀结构简单，安装容易，造价较低。
缺点：
在结构、生产能力、塔板效率等方面不及筛板塔，有待进一步的改进。
（三）筛板塔
优点：
1、结构简单，制造容易，造价低。
2、塔板效率较高，生产能力大。
3、对物料的适应性强，不易堵塞。
缺点：
1、操作弹性小，需保持较稳定的气、液流速。
2、小孔径筛板易堵塞，不适宜处理脏的、粘性大的和带固体颗粒的料液。
（四）穿流式栅板塔
优点：
1、无溢流和降液装置，结构简单，安装和维修方便。
2、塔板上的开孔有效面积大，开孔率大，故生产能力大。
3、气、液流动的压力降小，适用于真空蒸馏。
4、孔道不易堵塞，对物料的适应性强。
缺点：
1、操作弹性小。
2、塔板效率低。
（五）斜喷型塔
优点：
1、舌形塔是喷射型塔，气体喷出的方向和液体流动的方向一致，可充分利用气体动能促进气液两相间的接触，提高传质效率。
2、气体不必通过较深的液层，压力降小，雾沫夹带小，可采用较大气速，故生产能力高。
3、结构简单，安装、维修方便。
缺点：
1、液体被气体冲至塔壁落入降液管，带有大量泡沫，气相夹带严重，塔板效率低。
2、固定舌形塔操作弹性小，气流量小时易漏液；浮动舌形塔浮舌易损坏。
三、板式塔塔盘结构
（一）塔盘
塔盘设计要求：
（1）有一定的强度和刚度以承载和维持水平
（2）塔盘和塔壁之间应保证一定的密封性以避免气液短路
（3）便于制造、安装和维修
（4）制造成本低
按气液两相流动方式分：
溢流式（错流式）：
操作弹性大
穿流式（逆流式）：
生产能力大
按塔径大小分——整块式：
D≤700mm
分块式：
D＞700mm
任选：
D=700~800mm
补充：
塔盘板及支撑梁的强度和刚度计算
（1）塔盘板
简化为周边简支的矩形薄板，承受均布载荷（包括塔盘板的自重和塔盘板上物料的重量）
a．强度计算
最大弯曲应力：
；
取σ=max｛σx，σy｝
要求：
σ≤[σ]
操作时：
[σ]=0.65
检修时：
[σ]=0.95
L/b
α
β
γ
1.0
0.0479
0.0479
0.0433
1.2
0.0626
0.0501
0.0616
1.5
0.0812
0.0499
0.0843
1.8
0.0948
0.0479
0.1017
2.0
0.1017
0.0464
0.1106
3.0
0.1189
0.0404
0.1336
4.0
0.1235
0.0384
0.1400
5.0
0.1246
0.0375
0.1416
∞
0.1250
0.0375
0.1422
b、刚度计算
要求：
fmax≤[f]浮阀塔盘：
DN≤2400mm时，[f]=3.2mm
DN＞2400mm时，[f]=DN/720mm
泡罩塔盘：
DN≤1830mm时，[f]=1.6mm
DN＞1830mm时，[f]=3.2mm
（2）支承梁
（二）降液管和受液盘
1、降液管
2、受液盘
（三）溢流堰
出口堰
（1）保证塔盘上有一定厚度的液层
（2）使液流均匀
（3）增加溢流周边长度，有利于气液分离
进口堰
（1）保证降液管密封
（2）减少水平方向的冲击，使液流均匀流过塔盘
§7-4塔设备的附件
主 要 教 学 内 容
授课方式
授课时数
1、除沫器
2、裙座
3、吊柱
讲授
自学
1
教学目的和要求
1、了解除沫器的结构
2、掌握裙座的结构和裙座材料的选择
3、了解吊柱的结构
教学重点和难点
裙座的结构和裙座材料的选择
课外作业
思考题
一、除沫器
作用：
（1）分离塔顶出口气体中夹带的液滴，保证传质效率
（2）减少有价值物料的损失
（3）改善后续设备的操作条件
丝网除沫器
折板除沫器
旋流板除沫器
二、裙座
1、裙座的总体结构
2、裙座材料
（1）裙座与塔内物料不直接接触，也不承受塔内的介质压力，所以不受压力容器用钢的限制，允许采用普通碳素结构钢，如Q235-A、Q235-AF等制造。
当裙座温度≤-20℃时，应选择16Mn，且具有一定的冲击韧性。
（2）当塔底封头材料为合金钢时，座圈上部应设短节，短节材料和底封头相同，以避免不同材料焊接对底封头产生不利影响。
短节长度：
操作温度t＜0℃或t＞350℃时，短节长度取为保温层厚度的四倍，且不小于500mm。
操作温度t=0~350℃时，短节长度取为250~300mm。
三、吊柱
1、吊柱的作用
2、吊柱的结构
3、吊柱的选用
§7-5塔设备的强度计算
主 要 教 学 内 容
授课方式
授课时数
1、塔设备的自振周期
2、塔的受载分析
3、筒体的强度计算及校核
4、裙座的强度计算及校核
讲授
3
教学目的和要求
1、掌握筒体的强度计算及校核方法
2、了解裙座的强度计算及校核方
教学重点和难点
1、塔设备工作时所受的各种载荷分析和计算
2、筒体的强度计算及校核方法
课外作业
思考题；综合练习题；
一、塔设备的自振周期
塔设备的振动属多质点体系的振动，具有多个自由度，可出现多种振型，由于塔设备的刚度较大，通常只考虑第一振型。
1、等截面塔的自振周期
2、变截面塔的自振周期
此公式只能计算第一振型的自振周期，第二振型自振周期可根据T2=T1/6计算
●塔任意段的水平位移和塔顶位移的关系：
二、塔的载荷分析
（一）质量载荷
设备操作时的质量：
m0=+m02+m03+m04+m05+ma+me
设备水压试验时的最大质量：
mmax=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me
设备停工检修时的最小质量：
mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma
其中：
m01—设备壳体（包括裙座）质量
m02—设备内件质量
m03—设备保温材料质量
m04—设备上平台、扶梯质量
m05—设备内物料质量
ma—设备上人孔、接管、法兰等附件质量
mw—设备内充水质量
me—偏心质量
●0.2m02是考虑停工检修时壳体上的内件质量，如塔盘支持圈、降液管等
●质量载荷使塔的各个截面产生轴向压应力
●不同截面、不同工作状况（操作或非操作）的载荷不同质量
（二）偏心载荷
ME=9.8me.e
Me----偏心质量
e----偏心距
（三）风载荷
1、水平风力的计算
计算风速V0
↓
基本风压q0=ρV02/2
↓
各段风压qi=fiq0
↓
水平风力Pi=K1K2ifiq0liDei
2、风弯矩的计算
（四）地震载荷
构造地震
塔设备在地震载荷作用下，产生三个方向的运动：
水平方向的振动；垂直方向的振动；扭转，其中水平方向的振动危害最大。
地震时使塔设备相对于地面运动的惯性力称为地震力，在一般计算中只考虑水平地震力对塔设备的作用。
震级——表示地震时释放能量的大小
地震烈度——表示地震的破坏程度
1、单质点弹性体系水平地震力的计算
F=CZαMpg
CZ----结构系数，钢制圆筒形设备CZ=0.5
α----地震影响系数（图7-76）
Mp----集中于单质点的质量
2、多质点弹性体系水平地震力的计算
Fjk=CZαηjkmkg
ηjk----j振型k质点的振型系数
Yk=Ya（hi/H）3/2
等截面塔：
3、地震弯矩的计算
对于等截面塔：
ME10-0=35/16CZα1mgH2
当H/D>15或塔设备的高度大于等于20m时，需考虑高振型的影响，采用简化计算方法：
MEI-I=1.25ME1I-I
最大弯矩：
水压试验时：
三、筒体的强度及稳定性校核
（一）各种载荷引起的轴向应力
1、设计压力引起的轴向应力：
2、质量载荷引起的轴向应力：
3、最大弯距引起的轴向应力：
（二）最大组合应力的计算及校核
（1）最大组合拉应力
σLmax=σ1-σ2+σ3（2）最大组合压应力
σYmax=σ1+σ2+σ3<[σ]cr
四、裙座的强度及稳定性校核
1、裙座圈的计算——应力校核
2、基础环的计算——厚度计算
3、地脚螺栓的计算——直径计算
4、裙座圈与筒体焊缝的计算——应力校核
§7-6塔设备的振动
主 要 教 学 内 容
授课方式
授课时数
1、风诱导振动的原因
2、风诱导振动频率和临界风速的计算
3、塔设备的防振措施
讲授
自学
1
教学目的和要求
1、掌握风诱导振动的原因
2、了解风诱导振动频率和临界风速的计算
3、了解塔设备的防振措施
教学重点和难点
塔盘的结构
课外作业
思考题
一、风的诱导振动
1、卡曼涡街
（1）卡曼涡街的形成原因：
风绕流圆柱体
↓
迎风侧（加速降压），背风侧（减速升压）
↓
边界层流体质点受粘性摩擦力作用
↓
背风侧边界层增厚
↓
流体主流绕流形成漩涡
↓
卡曼涡街
（2）形成卡曼涡街的条件
亚临界区；超临界区；
2、升力FL=CLρv2A/2
3、风诱导振动频率
Sr=fvD/v
300≤Re≤2×105时：
Sr=0.2
Re＞3.5×106时：
Sr=0.27
若Sr=0.2
临界风速—塔共振时的风速
vcn=5fcnD=5D/Tcn
塔第一振型临界风速：
vc1=5fc1D=5D/Tc1
当v＜vc1时，塔不会发生共振
当v≥vc1时，塔将发生共振，需进行共振时的强度计算
二、塔设备的防振
防振措施：
（1）增大塔的自振频率
（2）采用扰流装置
（3）增加塔的阻尼
升级会员 